鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架三維有限元分析

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:段志東王紅鷹

摘要:依據(jù)廣義模塊化設(shè)計(jì)原理,在ANSYS 中分別建立了45MN 鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架各個(gè)功能模塊的有限元模型,采用MPC 綁定接觸模擬閉合模塊間的連接,標(biāo)準(zhǔn)接觸模擬可開裂模塊間的連接,分別討論了空載和臨界載荷兩種狀態(tài)下機(jī)架的變形和應(yīng)力分布,計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果為此類機(jī)架的分析、設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

1 前言

預(yù)緊組合機(jī)架因易加工、易運(yùn)輸和組裝便利而在高噸位重型機(jī)械中被廣泛采用,廣義模塊化設(shè)計(jì)將參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化分析引入傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中,極大地提高了設(shè)計(jì)效率,但因具體操作困難而并未在設(shè)計(jì)單位真正開展。本文將廣義模塊化設(shè)計(jì)原理應(yīng)用到45MN 鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架的有限元分析中,給出了有限元模塊的裝配方法和空載、臨界載荷兩種狀態(tài)下機(jī)架的變形和應(yīng)力分布。分析方法為廣義模塊化設(shè)計(jì)原理的具體開展給出了一條可行之路,分析結(jié)果為此類機(jī)架的設(shè)計(jì)提供參考和指導(dǎo)。

2 廣義模塊化設(shè)計(jì)

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圖1 上橫梁有限元模塊

廣義模塊化設(shè)計(jì)是優(yōu)化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)合體。它把參數(shù)化設(shè)計(jì)和變量化分析技術(shù)引入到傳統(tǒng)模塊的劃分和設(shè)計(jì)中,使傳統(tǒng)模塊成為具有參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型和接口特征的廣義模塊,通過廣義模塊組合技術(shù)下的整機(jī)CAE分析實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的一種方法。該方法使產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠快速響應(yīng)市場的需要,通過參數(shù)的變化設(shè)計(jì)出最優(yōu)的模塊結(jié)構(gòu),并通過模塊組合產(chǎn)生最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

對某類產(chǎn)品的廣義模塊化設(shè)計(jì)需要大量的前期準(zhǔn)備工作,如:模塊劃分、參數(shù)選擇和模塊數(shù)據(jù)庫建設(shè)等等,這限制了該方法的普及。考慮到目前分析工作主要是校核依托經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì),并未進(jìn)行優(yōu)化的實(shí)際情況,采用剛性有限元模塊,通過裝配形成整機(jī)有限元分析模型。

3 機(jī)架有限元模塊

按照鐘偉弘等對鍛壓機(jī)的模塊劃分規(guī)則,將45MN 鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架分為上橫梁、下橫梁、立柱、蓋板和預(yù)緊力拉桿共五個(gè)功能模塊。利用ANSYS 的參數(shù)化建模功能,在同一坐標(biāo)下,分別建立給定參數(shù)組下各個(gè)模塊的幾何模型(拉桿模塊除外)和有限元模型。除拉桿直接采用link8 單元外,其它模塊均采用線彈性單元SOLID45。為保證計(jì)算精度,實(shí)體模型網(wǎng)格劃分99.9%為六面體網(wǎng)格,其中,上橫梁63452 個(gè)單元、下橫梁36744 個(gè)單元、立柱30152 個(gè)單元、蓋板216個(gè)單元。圖1是上橫梁的有限元模型模塊。利用CDWRITE 命令將各個(gè)有限元模型存儲(chǔ)到指定位置形成有限元模塊庫。

4 有限元模塊的裝配

ANSYS 中CDREAD 命令可將指定位置的有限元數(shù)據(jù)庫讀入并合并到當(dāng)前有限元模型數(shù)據(jù)庫中,新讀入有限元模塊的單元類型號、材料屬性號和實(shí)常數(shù)號等插入到原數(shù)據(jù)庫相應(yīng)項(xiàng)目編號之前,原編號自動(dòng)按序退后排列。通過CDREAD 命令讀入或?qū)氲母鱾€(gè)有限元模塊只是在空間位置上具備裝配可能性,還沒有真正裝配起來。

對于結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下不分離模塊的裝配(如左右立柱與下橫梁的裝配,蓋板與上、下橫梁的裝配),可以采用接觸方式中的MVP(多點(diǎn)約束)綁定不協(xié)調(diào)網(wǎng)格區(qū)域,利用“面面”接觸對實(shí)現(xiàn)各個(gè)有限元模塊的裝配。MPC 綁定接觸算法不需要輸入接觸剛度且會(huì)自動(dòng)考慮形函數(shù),計(jì)算速度比罰函數(shù)或拉格朗日快3 倍左右。

對于結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下可分離模塊的裝配,如左右立柱與上橫梁的裝配,采用標(biāo)準(zhǔn)接觸方式的“面-面”接觸對實(shí)現(xiàn)裝配。對于實(shí)體單元,在權(quán)衡收斂與速度后,法向剛度系數(shù)FKN取0.2,摩擦系數(shù)取0.1。

5 載荷工況和邊界條件

45MN 鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架的上下橫梁、左右立柱和四個(gè)蓋板通過10 組螺栓聯(lián)接組裝而成。螺栓總的預(yù)緊力是臨界工作載荷的1.54 倍,采用分步預(yù)緊,第一次預(yù)緊1、2 拉桿,每根767 噸;第二次預(yù)緊3、4 拉桿,每根730 噸;第三次預(yù)緊5、6 拉桿,每根695 噸;第四次預(yù)緊7、8 拉桿,每根662噸;第五次預(yù)緊9、10 拉桿,每根630 噸。全部預(yù)緊后,校核臨界工作荷載(4500 噸)作用下機(jī)架的剛度、強(qiáng)度和上橫梁與左右立柱接觸面的開裂情況。因此,分析過程包含6 個(gè)工況。

安裝時(shí),機(jī)架下橫梁支耳位置被固定在底座上,故在支耳位置施加三個(gè)方向的線自由度約束;立柱上存在間隙為1毫米的導(dǎo)向約束,通過cont52 模擬間隙約束的作用,工況6 的載荷和約束如圖2 所示。

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圖2 工況6 下載荷和約束

6 分析結(jié)果

拉桿被分步驟預(yù)緊的前5 個(gè)載荷工況下,上橫梁和下橫梁除螺母擠壓位置、拉桿腔有較大應(yīng)力和變形外,最大等效應(yīng)力不超過3M Pa, 且整個(gè)機(jī)架的應(yīng)力和變形隨拉桿預(yù)緊根數(shù)的增加而變大,所以這里僅給出工況5(空載)和工況6(臨界圖3 工況5,6 下上橫梁等效應(yīng)力載荷)的結(jié)果.

6.1 上橫梁結(jié)果

正空載時(shí),由圖3 左圖可以看出,上橫梁拉桿腔附近有相對較大的等效應(yīng)力,最大應(yīng)力發(fā)生在10 號拉桿孔邊緣位置,大小為165.47 MPa ,主要由應(yīng)力集中引起,離開孔邊緣位置的等效應(yīng)力主要在110 M Pa 以下;孔周圍區(qū)域有明顯的拉桿方向變形,相對變形位移在0.5 mm 左右.

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圖3 工況5,6 下上橫梁等效應(yīng)力

臨界載荷工況下,由圖3 右圖可以看出,上橫梁發(fā)生彎曲變形,拉桿孔區(qū)域的擠壓應(yīng)力明顯增大,較空載時(shí)增加了10 M Pa 左右,達(dá)到120 M Pa.10 號拉桿孔邊緣位置出現(xiàn)190.58 M Pa 的應(yīng)力集中;中央油缸孔上部向上隆起,左右拉伸,前后內(nèi)擠;下部也向上隆起,左右內(nèi)擠,前后拉伸.最大等效應(yīng)力發(fā)生在中央油缸孔下部邊緣內(nèi)壓位置,其值為132.581 M Pa,上部邊緣外拉位置亦有較大的等效應(yīng)力,數(shù)值達(dá)130.78 M Pa。

6.2 下橫梁結(jié)果

空載時(shí),下橫梁等效應(yīng)力分布情況與上橫梁類似,左右立柱間工作臺的等效應(yīng)力非常小,拉桿腔和立柱接觸接觸面有相對較大的等效應(yīng)力,數(shù)值在75 M Pa 以下,最大等效應(yīng)力發(fā)生在拉桿腔側(cè)面的構(gòu)造孔邊緣,大小為115.22 M Pa,主要由應(yīng)力集中引起。

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圖4 工況6 下橫梁等效應(yīng)力

臨界載荷工況下,由圖4 可以看出,下橫梁最大等效應(yīng)力為114.84 M Pa ,發(fā)生工作臺中央構(gòu)造孔邊緣位置,拉桿孔邊緣也有較大的等效應(yīng)力.除這些區(qū)域外,其他部位的等效應(yīng)力在70 M Pa 以內(nèi).

6.3 立柱結(jié)果

空載時(shí),左右立柱基本對稱彎曲,向外側(cè)鼓出,最大水平位移0.345 mm ,導(dǎo)向約束不提供約束反力.立柱主流壓應(yīng)力在50 M Pa 以下,最大壓應(yīng)力97.72 M Pa ,發(fā)生在立柱截面突變位置凹槽處.最大等效應(yīng)力在構(gòu)造孔邊緣位置,大小為87.28 M Pa ,主流等效應(yīng)力均在50 M Pa 以下。

臨界載荷下,立柱受壓情況明顯減弱,最大壓應(yīng)力降為58.32 M Pa. 左右立柱發(fā)生內(nèi)凹彎曲變形,水平最大位移達(dá)到1.048 mm ,部分導(dǎo)向約束開始提供約束反力。

6.4 拉桿預(yù)緊力結(jié)果

拉桿的預(yù)緊力是分析系統(tǒng)的一種內(nèi)力,它隨拉桿預(yù)緊的次序和工作載荷而發(fā)生改變.本文采用ANSYS 預(yù)緊單元直接施加設(shè)計(jì)預(yù)緊荷載,工況5 下拉桿中的殘余拉力分別為:拉桿1、2 為633.45 噸,拉桿3、4 為605.3 噸,拉桿5、6 為583.29 噸,拉桿7、8 為586.59 噸,拉桿9、10 為630 噸。在滿載工況下,上述拉桿的殘余預(yù)緊力分別變?yōu)?703.21 噸、660.66 噸、638.24 噸、656.83 噸和699.91 噸。

6.5 上橫梁與立柱接觸面的開裂情況

空載時(shí),上橫梁與立柱的接觸面接觸狀態(tài)如圖5 左圖所示,只有兩種狀態(tài):“閉合粘結(jié)”和“閉合滑移”,“閉合粘結(jié)”站絕對地位,表明未開裂,未滑移。

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圖5 工況5,6 下的接觸狀態(tài)

臨界載荷工況下,接觸面的接觸狀態(tài)有“閉合粘結(jié)”、“閉合滑移”和“臨界開裂”三種狀態(tài),具體分布情況如圖6 右圖所示。“臨界開裂”是雖接觸但無法向接觸壓力的一種接觸狀態(tài).工況5下,可能的開裂發(fā)生在立柱內(nèi)角側(cè)。

7 結(jié)論

1. 采用有限元模塊裝配有限元分析模型的方法可以實(shí)現(xiàn)分工協(xié)作,擴(kuò)展了廣義模塊的概念,為廣義模塊化設(shè)計(jì)的具體開展提供了一種方法。

2. 對復(fù)雜模型的幾何建模和網(wǎng)格劃分可以采用有限元模塊和模塊裝配法,從而保障優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格的生成。

3. 45MN鍛壓機(jī)預(yù)緊組合機(jī)架的設(shè)計(jì)基本合理,各個(gè)功能模塊的強(qiáng)度條件和剛度條件均你能滿足設(shè)計(jì)要求。

4. 預(yù)緊力大小對上下橫梁應(yīng)力分布影響較小,預(yù)緊參數(shù)的設(shè)計(jì)主要以接觸面不開裂為設(shè)計(jì)依據(jù).多拉桿分次預(yù)緊的次序?qū)佑|面的開裂有明顯影響,有待進(jìn)一步研究。(end)

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